武汉大学学报(工学版)   2017, Vol. 50 Issue (3): 422-428

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张军, 牛玺荣, 孙玲
ZHANG Jun, NIU Xirong, SUN Ling
黄土山区非对称加筋路堤受力特性研究
Study of mechanical characteristics of asymmetric reinforced-embankment in loess mountain region
武汉大学学报(工学版), 2017, 50(3): 422-428
Engineering Journal of Wuhan University, 2017, 50(3): 422-428
http://dx.doi.org/10.14188/j.1671-8844.2017-03-016

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收稿日期: 2016-05-30
黄土山区非对称加筋路堤受力特性研究
张军, 牛玺荣, 孙玲     
山西省交通科学研究院 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室,山西 太原 030006
摘要:由于受到黄土山区地形地貌条件的制约,在黄土山区修筑高速公路时经常会遇到非对称路堤问题,而非对称路堤极易引起各类路基路面病害.基于有限元分析软件,建立了非对称路堤数值模型,对比分析了未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下非对称路堤受力和变形特性.最后,针对运煤通道交通荷载特点,着重探讨了非对称交通荷载作用下3种工况下路堤的工作特性.研究结果表明:路堤施工过程中,EPS加筋技术处治效果要优于格栅加筋;但交通荷载作用下格栅加筋工况下路堤沉降、侧向变形明显小于EPS加筋工况,非对称路堤处治时宜采用格栅加筋技术
关键词非对称路堤    土工格栅    EPS    受力特性    黄土山区    
Study of mechanical characteristics of asymmetric reinforced-embankment in loess mountain region
ZHANG Jun, NIU Xirong, SUN Ling     
Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region, Shanxi Transportation Research Institute, Taiyuan 030006, China
Abstract: Restricted by the complicated geographic and geomorphic conditions, the asymmetric embankments often encounter in loess mountain region and can easily cause many distresses of pavement and subgrade. In this study, the numerical model of asymmetric embankment is established based on a finite element analysis software. The mechanical and deformation characteristics of three cases, i.e. unreinforced embankment, geogrid reinforced embankment and expandable polysty rene (EPS) reinforced embankment, are analyzed comparatively. Finally, the performance characteristics of three cases under asymmetric traffic loads are studied emphatically. The results show that the treatment effect in EPS reinforced case is better than that in geogrid reinforced case in the construction process. However, the settlement and lateral displacement caused by traffic load in geogrid reinforced embankment is smaller than that in EPS reinforced embankment. Therefore, the geogrid is more suitable to reinforce asymmetric embankment.
Key words: asymmetric embankment     geogrid     EPS     mechanical characteristics     loess mountain region    

由于黄土山区受到地形地貌条件的制约,修筑高速公路时经常会遇到非对称路堤问题,而非对称路堤极易引起不均匀沉降过大、整体或局部失稳以及路面开裂等一系列路基路面病害[1].同时,山西省作为全国能源基地,煤炭资源丰富,煤炭外运量大,其煤炭外运量占全国蔥拭禾客庠俗芰康?0%以上[2].高速公路作为煤炭运输的主要途径,运煤车辆的总载质量和轴重质量大,且由于煤炭运输方向单一,造成山西境内交通荷载呈现出显著的非对称性,山西境内高速公路的这一特性也加剧了非对称路堤路基路面病害的产生和发展.

目前,针对非对称路堤的研究相对较少,其处治技术主要参考半填半挖或道路拓宽路段的处治经验,主要以土工合成材料加筋为主[3-6].加筋土技术可有效提高土体抗拉和抗剪强度、增强整体和局部稳定性,且具有施工简便、造价低廉、性能优越等优点,已广泛应用于公路、铁路、机场等基础建设中[7-9].而随着我国对基建投入的增大,EPS等轻质材料逐渐应用到公路和铁路建设中,用以减轻路堤自重荷载,从而减小路堤沉降和不均匀沉降,提高路堤稳定性[10, 11].

本文针对山西境内高速公路非对称路堤结构型式和非对称荷载的特点,基于山平高速公路非对称路堤现场试验段,采用有限元软件建立非对称路堤数值模型,对比分析了无加筋、格栅加筋和EPS减载3种工况下路堤填筑完毕时和交通荷载作用下路堤受力和变形特性.最后,将选定处治方案数值模拟结果与现场试验监测数据进行了对比分析.

1 工程概况与数值建模 1.1 工程概况

山平(山阴至平鲁)高速公路是国家高速公路网荣成到乌海的组成部门,也是山西省高速公路网“三纵十二横十二环”第二横的重要组成部门,路线全长107 km.起点位于山西省朔州市山阴县合盛堡,接在建的灵丘至山阴高速公路,经山阴、吴马营、向阳堡、平鲁、小路庄、凤凰城,止于朔州市平鲁区二道梁,接内蒙古自治区拟建的十七沟至大饭铺高速公路,全线采用双向四车道高速公路标准建设,设计速度100 km/h,路基宽度26 m.

山平高速公路K210+987~K211+087试验段填方高度为8~10 m,该处地质与水文条件较为复杂(图 1).试验段位于路桥(涵)过渡段,且穿越深冲沟,属于非对称填方路堤.该冲沟与现有公路管涵相连,冲沟影响区域土质较差.如图 1所示,新建涵洞设计标高远高于冲沟底部,且涵洞轴线方向与冲沟-管涵方向不一致.路堤修筑过程中遇强降雨时,冲沟所在填方路段多次被冲毁,且冲沟积水现象较严重.初步处治方案为在管涵与新建涵洞间修筑过水渠,减小降雨过程中雨水对冲沟所在填方路段的侵蚀;对冲沟所在填方路段进行加筋处理,以增强路堤整体稳定性,减小非对称路堤差异沉降.

图 1 试验段工程概况 Figure 1 Project profile of field test

根据工程经验,初步确定了土工格栅加筋(图 2黄线为格栅)和EPS减载(图 2红色虚线为EPS)两种处治方案,具体方案见表 1.

图 2 计算模型 Figure 2 Numerical model
表 1 试验段处治方案对比 Table 1 Comparison between treatment schemes in field test
处治类别 具体处治方案
加筋土技术 每隔3 m铺设一层土工格栅,共4层.格栅铺设在填土搭接处地基超挖1 m.土工格栅抗拉刚度EA=1 700 kN/m.
EPS减载技术 在路堤中心处铺设EPS板,断面尺寸为3 m×26 m,重度γ=0.2 kN/m3,弹性模量E=6.7 MPa,泊松比v=0.3.

为进一步确定该路堤加筋处治方案,下面针对未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下非对称路堤受力和变形特性进行对比分析.

1.2 数值建模

为了能够真实反映山平高速公路K210+987~K211+087现场实际情况,采用有限元软件PLAXIS建立数值模型.数值计算模型尺寸选取与现场实际几何条件相同.其中现场试验段土层分布、模型尺寸及边界条件如图 2所示.计算模型中路堤填土和地基土采用理解弹塑性模型,桩体和加筋材料采用线弹性模型.根据现场地质勘察报告选取数值模拟计算参数(表 2).考虑到路面结构刚度较大,交通荷载传递至路堤顶面时可视为均布荷载.同时,将路面结构荷载等效为均布荷载,即数值模型过程中将路面结构和交通荷载合并考虑成均布荷载施加在路堤顶面.

表 2 试验段土层物理力学参数 Table 2 Material parameters used in the numerical model
E/MPa γ /(kN·m-3) v c /kPa φ /(°)
路堤填土 20.4 19.8 0.3 38.4 16.2
冲沟软弱土 4.5 17.8 0.35 12.0 16.0
粉土 8.2 18.4 0.33 18.4 12.8
黏质粉土 12.6 19.2 0.33 26.0 17.3
砂卵石层 18.4 19.2 0.3 14.2 24.6
硬土层 25.4 19.7 0.3 44.5 18.2
EPS 6.7 0.2 0.3 - -
土工格栅 EA=1 700 kN/m

数值建模过程中实体单元采用15节点三角形高精度单元,桩体采用5节点内置梁单元,筋-土和桩-土之间采用5对节点界面接触单元,接触单元的刚度矩阵由Newton-Cotes积分得到.

计算模型中路堤填料及桩间土采用莫尔-库仑准则,桩体和筋材采用线弹性模型.桩体、筋材与土体(路堤填料)界面采用理想弹塑性模型[12].

桩体、筋材与土体界面处于弹性状态,界面剪应力表达式为

    (1)

桩体、筋材与土体界面处于塑性状态,界面剪应力表达式为

    (2)

式中:σn为法向应力;φ′为界面内摩擦角;c′为界面黏聚力.界面内摩擦角和黏聚力可由相邻土体的抗剪强度参数折减得到:

    (3)
    (4)

式中,Ri为界面折减因子.

2 计算结果与分析

图 3为路堤填筑完毕时未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤竖向位移云图.未加筋和格栅加筋两种工况下路堤竖向位移分布规律相似,且路堤最大沉降位置也基本相同,而EPS加筋工况下路堤竖向位移分布规律与上述两种工况不同,由于EPS的存在,EPS影响范围区域竖向位移明显减小,路堤最大沉降位置向左转移.对比分析可以看出3种不同工况下的最大竖向位移量关系为:未加筋>加筋>EPS;相对未加筋工况,加筋工况的竖向位移量减小了5.3%,EPS工况减小了15.8%.

图 3 路堤竖向位移云图 Figure 3 Vertical settlement nephogram of embankment

图 4为路堤填筑完毕时未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤水平位移等值线图.可以看出3种工况下最大水平位移均发生在路堤左坡脚处.未加筋工况下路堤最大水平位移值为0.28 m.与未加筋工况相比,格栅加筋和EPS加筋工况下路堤最大水平位移值分别减小了44.1%和45.5%,格栅加筋与EPS加筋两种工况下对路堤水平位移的约束作用基本相同.

图 4 路堤水平位移等值线图(单位:m) Figure 4 Horizontal displacement contour map of embankment (unit:m)

图 5为路堤填筑完毕时未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤顶面沉降曲线.可以看出,未加筋工况下路堤沉降最大,格栅加筋通过改善路堤附加应力分布规律,减小路堤最大沉降.相对于未加筋和格栅加筋工况,EPS加筋工况下路堤顶面沉降显著减小.分析原因,由于EPS加筋工况采用轻质材料EPS取代了部分路堤填土,减小了路堤自重荷载,因此有效减小了路堤顶面沉降.

图 5 路堤顶面沉降曲线 Figure 5 Settlement curves at embankment crest in three cases

图 6为路堤填筑完毕时未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤左侧坡脚处侧向位移随深度变化曲线.可以看出3种工况下路堤左侧坡脚处侧向位移曲线相近,冲沟软弱土层侧向位移明显大于其下部土层侧向位移.对比分析,3种工况下侧向位移主要差异位于冲沟软弱土层.格栅加筋工况下冲沟软弱土层侧向位移最小,EPS加筋工况下次之,未加筋工况下最大.可以看出格栅加筋技术可有效减小地基浅层侧向位移,格栅加筋和EPS加筋技术对地基深层侧向位移的影响均不大.

图 6 左侧坡脚处侧向位移曲线 Figure 6 Lateral displacements curves at left embankment toe with depth in three cases

图 7为路堤填筑完毕时未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤右侧坡脚处侧向位移随深度变化曲线.定义右侧坡脚处向右侧向位移为正值,反之为负值.右侧坡脚处浅层地基侧向变形为负值;随着深度的增加,侧向位移逐渐变为正值;EPS加筋工况下侧向变形要明显小于格栅加筋和未加筋工况.同时,可以看出右侧坡脚处侧向变形对路堤影响远小于左侧坡脚处(图 6).

图 7 右侧坡脚处侧向位移曲线 Figure 7 Lateral displacements curves at right embankment toe with depth in three cases

图 8为路堤填筑完毕时格栅加筋工况下各层格栅沉降曲线,各层格栅沉降曲线变化规律基本相同,且各层格栅沉降量相差不大;除第一层格栅外,各层格栅沉降在路基中心轴靠右5 m处达到最大值,且随着距该处距离的增大沉降逐渐减小.

图 8 各层格栅沉降曲线 Figure 8 Settlement of geogrid with different layers

图 9为路堤填筑完毕时格栅加筋工况下各层格栅轴力分布曲线.各层格栅最大轴力由大到小分别为第1层格栅>第2层格栅>第3层格栅>第4层格栅(格栅层数由下向上排序),其中第1、2层格栅最大轴力相差不大,最大轴力都在150 kN以上,第3、4层格栅最大轴力均较小,其中第3层格栅最大轴力不到20 kN,第4层格栅最大轴力不到5 kN.分析原因,格栅与土体接触条件一定时,格栅受力主要由差异变形和竖向荷载两个方面决定.第1、2层格栅位于路堤填土与冲沟搭界部分,由图 34可知该区域差异变形大(等值线密布),且该区域竖向荷载较大,因此,第1、2层格栅轴力明显大于第3、4层格栅,路堤填筑完毕时格栅加筋路堤主要由第1、2层格栅发挥作用.

图 9 各层格栅轴力曲线 Figure 9 Axial tension curves in different layers of geogrids
3 交通荷载作用下路堤工作特性

山平高速公路作为运煤通道,由西向东方向道路承担主要煤炭外运任务(左幅为重载车道),道路两幅承受交通荷载相差很大.根据山西省运煤通道特有的交通荷载形式,建立5种不同形式交通荷载:左右幅均布荷载5 kPa、左右幅均布荷载10 kPa、左右幅均布荷载20 kPa、左右幅荷载分别为10和30 kPa以及左右幅荷载分别为30和10 kPa(图 10).数值计算时,当路堤填筑完毕后,将路堤模型变形重设为0,在路堤顶面施加不同形式交通荷载,分析路堤的工后受力和变形特性.

图 10 交通荷载类型 Figure 10 Different types of traffic loads

图 11为不同交通荷载形式下未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤工后最大沉降变化曲线.可以看出,交通荷载较小时,3种工况下路堤工后最大沉降相差不大,随着交通荷载的增大,3种工况下路堤工后最大沉降不同程度增大.当左右幅交通荷载不同时,随总荷载与“2020”交通荷载工况下相同,但非均匀荷载工况下工后路堤最大沉降明显大于均布荷载工况.对比3种工况,可以看出随着交通荷载的增大,格栅加筋和EPS加筋效果逐渐显著;与施工过程中EPS加筋效果优于格栅加筋不同,交通荷载作用下格栅加筋效果要明显优于EPS加筋.特别是针对本次分析所关注的左幅重载车道(“3010”)工况下,相对于EPS加筋工况,格栅加筋工况路堤工后最大沉降减小了近30%.分析原因:EPS加筋可有效减小路堤自重荷载,路堤填筑过程中,其作用在地基上的附加应力显著减小,而格栅加筋并未减小路堤自重荷载,因此,路堤施工过程中EPS加筋工况下路堤沉降要小于格栅加筋工况.交通荷载作用下,其对EPS加筋和格栅加筋工况下地基总附加应力的增加量基本相同,而相对于EPS加筋工况,格栅加筋工况可有效改善附加应力分布规律,从而减小路堤工后沉降.

图 11 不同交通荷载作用下沉降变化曲线 Figure 11 Variation curve of settlement under different types of traffic loads

图 12为不同交通荷载形式下未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下左侧路堤坡脚处工后侧向位移分布曲线.与工后路堤最大沉降变化规律相似,随着交通荷载的增大,3种工况下路堤工后最大沉降不同程度增大.相对于“2020”工况,“1030”工况下工后侧向位移有所减小.而相对于“2020”和“1030”工况,“3010”工况下工后侧向位移显著增大.分析原因可能是由于未施加交通荷载时,由于路堤的非对称性,路堤施加在地基上的附加应力为非对称的,左侧地基承担的附加应力要大于右侧地基.“1030”工况在路堤右幅施加的交通荷载要大于左幅,因此在程度上缓解施加在地基上附加应力的非对称性,减小了路堤整体向左侧位移,从而减小左侧路堤坡脚处工后侧向位移.而“3010”工况下路堤左幅施加的交通荷载要大于右幅,加剧了施加在地基上附加应力的非对称性,从而增大了左侧路堤坡脚处工后侧向位移.

图 12 不同交通荷载作用下左侧侧向位移变化曲线 Figure 12 Variation curves of left lateral displacement under different types of traffic loads

格栅加筋工况下可有效减小路堤工后侧向位移,特别是本次分析所关注的左幅重载车道(“3010”)工况下,相对于EPS加筋工况,格栅加筋工况下左侧路堤坡脚处工后侧向位移减小了40%以上.

图 13为不同交通荷载形式下未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下右侧路堤坡脚处工后侧向位移分布曲线.均布交通荷载作用下,左右侧路堤坡脚处工后侧向位移变化规律基本相同;由于“1030”工况下右侧地基附加应力显著增加,因此该工况下右侧路堤坡脚处工后侧向位移明显大于其他工况.

图 13 不同交通荷载作用下右侧侧向位移变化曲线 Figure 13 Variation curves of right lateral displacements under different types of traffic loads

图 14为“3010”交通荷载形式下格栅加筋工况各层格栅沉降变化曲线.可以看出各层格栅沉降曲线变化规律相近,各层格栅沉降在路基中心轴靠右5 m处达到最大值,且随着距该处距离的增大沉降逐渐减小.

图 14 交通荷载作用下各层格栅沉降变化曲线 Figure 14 Settlements of different layers of geogrids under traffic load

图 15为“3010”交通荷载形式下格栅加筋工况各层格栅轴力分布曲线.与路堤填筑完毕时格栅轴力变化规律相似,各层格栅最大轴力由大到小分别为第1层格栅>第2层格栅>第3层格栅>第4层格栅,其中第1、2层格栅最大轴力相差不大,最大轴力都在200 kN以上,第3、4次格栅最大轴力均较小,其中第3层格栅最大轴力不到30 kN,第4层格栅最大轴力不到5 kN.与路堤填筑完毕时格栅轴力分布规律相同,交通荷载作用下格栅加筋路堤主要由第1、2层格栅发挥作用.

图 15 交通荷载作用下各层格栅轴力变化曲线 Figure 15 Axial tension curves at different layers of geogrids under traffic load
4 工程验证

根据上述对比分析结果可知,路堤施工过程中,EPS加筋技术处治效果要优于格栅加筋;但交通荷载作用下格栅加筋工况下路堤沉降、侧向变形明显小于EPS加筋工况.由于路堤施工过程中变形可通过下一级路堤或基层填筑来补充,施工过程中路堤变形对工后影响相对较小,因此,非对称路堤处治时宜采用格栅加筋技术.基于以上原因,山平高速公路K210+987~K211+087试验段采用表 1中格栅加筋处治方案,其中第3、4层格栅设置主要用于提高路堤整体稳定性.

图 2所示,试验段路堤填筑前分别在路堤底面中心处(A点)和路堤坡脚处(B点)埋设单点位移计(测杆埋深至砂卵石层,即测量地基表面至砂卵石层顶面深度范围内压缩变形量)和观测桩,用于监测基底沉降和路堤坡脚处侧向位移.路堤填筑过程中基底沉降和路堤坡脚处侧向位移现场试验监测数据和本文数值模拟结果如图 16所示.可以看出,本文数值模拟结果与现场试验监测数据基本吻合,证明了数值模型的合理性,同时,也验证了3种工况下对比分析结果的正确性.

图 16 数值模拟结果与现场监测数据对比 Figure 16 Comparison between numerical results and field test data
5 结论

本文针对黄土山区路堤及交通荷载的非对称性,系统分析了路堤填筑完毕时和交通荷载作用下未加筋、格栅加筋和EPS加筋3种工况下路堤受力和变形特性.同时,根据试验段现场试验监测数据对数值模拟结果的合理性进行了验证.研究结果表明:

1) 由于EPS的铺设可有效减小路堤自重荷载,路堤填筑完毕时EPS加筋可有效减小路堤沉降,而格栅加筋对路堤填筑期沉降影响不大.

2) 格栅加筋工况下,路堤中第1层格栅与第2层格栅的相对沉降量较大,且其格栅的轴力也比第3、4层的大很多,即路堤中主要由第1与第2层格栅发挥加筋作用.在工程应用中,可取消第3、4筋材,仅铺设在非对称路堤区域即可.

3) 交通荷载作用下格栅加筋工况下路堤沉降、侧向变形明显小于EPS加筋工况,非对称路堤处治时宜采用格栅加筋技术.

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